Dipl.-Phys. Xue Wang, links, und Dipl.-Ing. Jana Hartmann, Doktorandinnen am Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig, arbeiten an einer Atomlagen-Epitaxieanlage, in der 3-dimensionale Nanostrukturen für neuartige Sensoren hergestellt werden.
TU Braunschweig/IHT
An der Technischen Universität (TU) Braunschweig soll in den kommenden fünf Jahren das Forschungszentrum "Laboratory of Emerging Nanometrology" (Lena) entstehen. An dem Forschungszentrum sollen Arbeitsgruppen unterschiedlicher Fachgebiete aus zehn Instituten der TU Braunschweig metrologische Methoden und Normale für nanoskalige, das heißt Millionstel-Millimeter kleine Materialien und Bauteile, entwickeln. Sie werden dabei Techniken und Expertisen aus der Elektrotechnik, der Physik, dem Maschinenbau und der Chemie nutzen.
Die Weiterentwicklung der Metrologie als Wissenschaft vom präzisen Messen und seiner Anwendung sei eine wichtige Grundlage des technisch-wissenschaftlichen Fortschritts, heißt es aus Braunschweig. Ziel von Lena sei, derartige Präzisionsmessungen auf die Nanometer-Skala und damit in die Welt von Molekülen, Zellen und Nanopartikel zu übertragen. Noch immer entzögen sich gerade diese nanoskaligen Systeme einer umfassenden metrologischen Charakterisierung. Präzise und quantitative Messungen seien nicht nur Grundlage für ein besseres Verständnis kleinster Strukturen, sondern auch für bessere Standardisierung und letztlich für die Überführung nanoskaliger Materialien, Methoden und Systeme von den Forschungslaboratorien in eine industrielle Nutzung.
Zu den metrologischen Fragestellungen zählen beispielsweise Energiegewinnung und Energiespeicher. Nanopartikel seien dreidimensional und besäßen deshalb eine sehr große Oberfläche. Diese könne so präpariert werden, dass bestimmte chemische Prozesse besonders effizient ablaufen. Als Beispiel nennt die TU die Wasserstoff-Gewinnung: bei Beleuchtung durch Sonnenlicht werde an der Oberfläche von Nanopartikeln Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Sonnenenergie werde dadurch direkt im Wasserstoff gespeichert und sei damit auch transportierbar. Nur durch eine präzise Analyse der zugrunde liegenden Mechanismen und der elektronischen und chemischen Eigenschaften der Oberfläche der Nanopartikel könne die Effizienz solcher Systeme weiter verbessert werden. Diese können so einen Beitrag zur Energiewende leisten.
Erforschung dreidimensionaler Sturkturen
Als weiteres Beispiel werden Hochleistungsakkumulatoren mit nanostrukturierten Elektroden, die kürzere Ladedauern und längere Einsatzfähigkeit aufweisen und künftige Elektrofahrzeuge konkurrenzfähig machen könnten, genannt. Erst nach Entwicklung einer eindeutigen Charakterisierung der 3D-Struktur der hochporösen Elektrodenschichten werde die gezielte Verbesserung dieser Elektroden und letztlich die Qualitätskontrolle bei deren Produktion möglich, heißt es Braunschweig.
Kleinste Lichtemitter sollen zu einer neuen Generation von Leuchtdioden führen, die in Zukunft flächendeckend für die Beleuchtungstechnik eingesetzt werden können. Derartige Nano-LED müssten aber zunächst präzise charakterisiert werden, um ihre Leuchteigenschaften zu analysieren und sie weiter zu verbessern. Nano-LED dieser neuesten Generation seien dreidimensional, was die Analyse erschwere. Lena werde daher sich besonders auf die präzise Analyse dreidimensionaler Objekte spezialisieren.
Um die Rolle von Nanopartikeln in unserer Umwelt (Autoabgase, Emission von Kraftwerken etc.) zu erforschen, müssen diese erst einmal präzise und empfindlich nachweisbar sein. Hierzu werden in Lena Nano-Waagen entwickelt, die so empfindlich sind, dass am Ende sogar einzelne Nanopartikel detektiert werden können. Ziel von Lena ist es, die Nanopartikel nicht nur nachzuweisen, sondern auch möglichst viele Eigenschaften gleich mitzubestimmen. Ubiquitäre, das heißt überall verfügbare Sensoren und Normale sollen die Nanopartikel-Messtechnik auf eine völlig neue Basis stellen und als Grundlage für Schnell-Tests auf der Nanoskala dienen.
Strategiescher Partner PTB
Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist als strategischer Partner am Lena beteiligt und werde mit der TU Braunschweig gemeinsam an der Umsetzung der Ziele von Lena arbeiten. Die strategische Partnerschaft soll die Rückführung auf SI-Normale, die nur in den nationalen Metrologie-Instituten zur Verfügung stehen und die Überführung der Ergebnisse der Lena-Aktivitäten in die metrologische Anwendung garantieren. Die PTB werde ihre Expertise bei der Charakterisierung nanoskaliger Objekte einbringen sowie spezifische metrologische Fragestellungen anregen.
Die Planungs- und Bauphase für Lena soll spätestens in fünf Jahren abgeschlossen sein. Der Wissenschaftsrat hat dem von der Braunschweiger Elektrotechnik federführend betriebenen Antrag für Lena kürzlich zugestimmt und dem Bund und dem Land Niedersachen zur Durchführung empfohlen. Die endgültige Entscheidung über die Förderungwerde die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz voraussichtlich am 28. Juni 2013 treffen, wie es aus Braunschweig heißt. Im Forschungsbau Lena werden sollen für rund 29 Millionen Euro auf insgesamt 2483 Quadratmetern Labore und Büros für bis zu 116 Mitarbeiter entstehen.
Lena sei ein Baustein der umfassenderen Metrology Initiative Braunschweig MIB. Ziel der MIB ist es, die Metrologie als die Wissenschaft vom präzisen Messen in Forschung und Lehre strategisch zu stärken. Zu der Metrology Initiative Braunschweig gehören die Fakultäten Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik sowie Maschinenbau und Lebenswissenschaften der TU Braunschweig, die eng mit der PTB zusammenarbeiten. Gemeinsame Doktoranden forschen innerhalb der "International Graduate School of Metrology IGSM".